基于plc的电动挖掘机变频调速系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的电动挖掘机变频调速系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

的悬挂式挖掘机。 20 世纪 50 年代初期和中期相继研发出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。 20 世纪 80 年代开始生产特大型挖掘机。 例如，美国马利昂公司生产的斗容量为50150 m3 的剥离用挖掘机，斗容量为 l32 m3 的步行式拉铲挖掘机； BE 公司生产的斗容量为 168. 2 m3 的步行式拉铲挖掘机，斗容量为 l07 m3 的挖掘机等。 国外挖掘机生产厂商重视采用新技术、新工艺、新结构，加快标准化、系列化、通用化发展速度。 例如，德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置 ，使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作；美国林肯贝尔特公司 C 系列LS5800 型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统，可自动调节流量，避免了驱动功率的浪费；还安装了 CAPS(计算机辅助功率系统 )，提高挖掘机的作业功率，更好地发挥液压系统的功能；日本住友公司生产的 FJ 系列五种新型号挖掘机配有与液压回路连接的计算机辅助功率控制系统，利用精控模式选择系统，减少燃油、发动机功率和液压功率的消耗，并延长了零部件的使用寿命；德国奥加凯 (Oamp。 K)公司生产的挖掘机的油泵调节系统具有合流特性，使油泵具有最大的工作效率；日本神 钢公司在新型的 90 90 90 909 型液压挖掘机上采用智能型控制系统，即使无经验的驾驶员也能进行复杂的作业操作。 德国利勃海尔公司开发了 ECO(电子控制作业 )的操纵装置，石家庄铁道大学毕业设计 3 可根据作业要求调节挖掘机的作业性能，取得了高效率、低油耗的效果；美国卡特匹勒公司在新型 B 系统挖掘机上采用最新的 3114T 型柴油机以及扭矩载荷传感压力系统、功率方式选择器等，进一步提高了挖掘机的作业效率和稳定性。 韩国大宇公司在DH280 型挖掘机上采用了 EPOS 电子功率优化系统，根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转 速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率运转，这样既充分利用了发动机的功率、提高挖掘机的作业效率，又防止了发动机因过载而熄火。 关键技术与技术难点 (1)MCGS 对 PLC 的通信和控制。 MCGS 设备窗口是 MCGS 系统的重要组成部分，负责建立系统与外部硬件设备的连接，使得 MCGS 能从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。 在设备窗口内配置不同类型的设备构件，并根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法，如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都 封装在构件之内，以对象的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。 运行过程中，设备构件由设备窗口统一调度管理，通过通道连接，向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，从实时数据库查询控制参数，发送给系统其它部分，进行控制运算和流程调度，实现对设备工作状态的实时检测和过程的自动控制。 MCGS 的这种结构形式使其成为一个与设备无关的系统，对于不同的硬件设备，只需定制相应的设备构件，放置到设备窗口中，并设置相关的属性，系统就可对这一设备进行操作，而不需要对整个系统结构作任何改动。 最后用 SC09 编程电缆连接 PLC 和电 脑。 (2)PID 控制 本实验的核心程序中用到了 PID 控制 [1]，很好地解决了转速控制这个问题。 常规的 PID 控制器设计容易、适用面广、可靠性高，是现在应用很广泛的一类基本的控制器，对于参数固定并且非线性不严重的被控对象有很好的控制效果。 但是本设计中的挖掘机，在不同的作业环境、负荷、干扰因素下，其参数是不断变化的。 必须对 PID 参数进行调整，才能使控制效果达到最优。 将误差的比例 (P)，积分 (I)，微分 (D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称 PID 控制器。 比例控制是一种简单的控制方式。 其输入和 输出误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 在积分控制中，控制器的输出和输入信号的积分成正比关系，对一个自动控制系石家庄铁道大学毕业设计 4 统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则这个系统是有稳态误差的。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。 误差取决于对时间的积分，随着时间的增加误差会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例和积分控制器可以使系统进入稳态后无稳态误差。 在微分控制中，控制器的输出和输入误差信号的微分成比例关系。 自 动控制系统在克服误差的调节过程中可能出现震荡甚至失稳。 原因是可能存在过大的惯性环节或者滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决办法就是使误差接近零的时候，抑制误差的作用也是零。 这就是说，在控制器中引入比例项是不够的，比例项的作用仅仅是放大误差的幅值，目前需要引入的是积分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 加 微分的控制器就能提前使抑制误差的作用等于零，避免出现严重超调。 (3)转速的测量 转速的测量作为整个闭环控制系统中的重要一环，其准确度和实时性直接影响到了 PLC 对后续变频器的控 制。 实验中要求测量实时转速并且输入到 PLC 进行处理，但是这一过程并不简单。 电磁式转速传感器的输出量是正弦波，输出量一般不会十分完美，所以在输入 PLC 的 AD 模块之前还要经过二极管进行整流，然后经过比例放大器进行放大，才能输入到三菱 FX2N4AD 模块进行模数转换。 (4)抗干扰设计 在工业现场，在距离较远的电气设备、仪表、 PLC 控制系统、 DCS 系统之间进行信号传输时，往往存在干扰，造成系统不稳定甚至误操作。 变频器输入的动力电源为三相交流 380V 电源，而 PLC 的供电电源为直流 24V，两者之间差距巨大，电动机的 电控系统很容易被动力电源所影响。 为了将电控系统和供电电网的电源隔离开，消除因公共电阻引起的耦合，减少负载波动的影响，同时也为了安全，常常加入适当的抗干扰设计。 石家庄铁道大学毕业设计 5 第 2 章 主要技术指标和主要功能 技术指标 (1)电动机电源 [2]：交流 380V (2)控制系统电源：直流 24V，负极搭铁，主体单线制 (3)温度：环境温度 (4)电动机： 90kW (5)起动机：由发动机确定 (6)铲斗容量： 27m3 (7)起重臂倾角： 45176。 (8)起重臂长度： (9)斗杆有效长度： 主要功能 (1)转速控制。 转速控制是本设计的核心部分，通过硬件和软件的结合设计出优质的转速控制系统可以大大提高挖掘机的工作效率。 本设计中转速控制分为手动控制和自动控制。 手动模式中通过高速、中速、低速三个档位的变换来更改电动机的转速，其中高速、中速、低速三种速度的具体数值可以通过变频器的 PU 面板输入，这样就可以比较灵活地控制挖掘机的速度。 自动模式则是根据转速输入值和转速的测量值自动对转速进行调整，使其被控制在合适范围内，这样的话就给挖掘机司机减少了很多负担，可以把更多的精力用在对挖掘机动力臂的 控制上。 (2)怠速功能。 挖掘机工作的时候，常常需要短暂停机，处于待命状态，例如等待自卸卡车或需进行某种准备工作等。 这时候发动机的能量白白浪费，为此，我们希望发动机转速能自动下降，处于低怠速状态。 而且减少燃耗、降低噪音，这对发动机使用寿命也有好处。 通过检测油门踏板和操作杆是否长时间没有动作而作出是否怠速的命令，很智能化地解决了这个问题。 石家庄铁道大学毕业设计 6 设计中要求怠速控制在 1200 转 /分，这样节省了能源又保养了机器。 (3)转速的实时显示。 转速显示是驾驶员对挖掘机的工作状态进行判断的重要参考，所以设计中如何更加快速准 确地显示出挖掘机的转速十分重要。 通过转速传感器来测量电动机的实时转速，然后经过相关芯片将传感器采集的频率值转换成电压值，再经过 AD 转换成数字量，输入到 PLC 中进行处理和运算，并且显示在人机交互界面上。 (4)行进控制。 对挖掘机进行启动、停止、前进、后退的控制。 这些都是对挖掘机行进的最基本控制，由于本设计是基于 PLC 的，相信比传统的控制方案效果更好。 预期达到的成果及其形式 (1)基于 Protel 的电路设计图。 包括：变量泵转速电路设计、供电电路设计、抗干扰设计、 PLC 和变频器的相关接口电路、触摸屏 电路设计。 (2)PLC 程序。 包括：手动调速模块、自动调速模块、自动怠速模块、 PID 调节模块、 AD 和 DA 模块、抗干扰模块。 (3)总体方案设计图。 (4)MCGS 文件。 (5)基于 PLC 的电动挖掘机变频调速系统实验平台。 石家庄铁道大学毕业设计 7 第 3 章 总体设计方案 设计思想 在本设计中，我们对挖掘机基于 PLC 的变频调速系统进行了深入的研究，致力于将 PLC、变频器、电动机的优势有机结合，从而达到耗能更少，控制更方便的目的。 PLC 作为整个调速系统的“司令部”担负着重要的责任，整个调速系统都是围绕 PLC展开的，首先 PLC 接收转速传感器采集来的转速，经过分析计算后输出合适的参数信息给变频器，变频器根据 PLC 传递来的信息对输入 380V 的电源进行频率变换，而输出电压的频率直接影响到了电动机的转速，电动机带动液压泵进行作业，转速传感器通过对转速的采集又反馈给 PLC，这样就形成了一个闭环控制系统，控制更加精准。 技术路线 (1)通过去图书馆查阅关于电动挖掘机的相关资料，上网收集国内外电动挖掘机转速控制的最新资讯，对国内外电动挖掘机的研究现状进行分析，以明确哪些技术已经成熟哪些方面还有比较大的进步空间。 (2)对基于 PLC 的变频调速系统总体方案进行设计。 (3)根据实际需要对实验中用到的几大部件进行严格选型。 (4)用 Protel软件进行各部分电路图的设计。 (5)用 GX Developer Version 编程软件对系统的几大功能模块进行程序编写，并且进行认真地调试。 (6)根据总体方案和各部件的选型搭建的转速控制系统 ，对设计 结 果进行 分析。 设计原理 以下为挖掘机的控制系统示意图。 本系统中我们采用三菱 FX2N 系列的 PLC，和三菱 FRA740 变频器，模数转换模块选用三菱 FX 2N4AD，数模转换用三菱 FX 2N4DA，电动机选用 Y315L18 90KW 三相异步电动机。 相对于传统的继电器控制系统，用 PLC 实现运动控制更有优越性：价格更低、速度更快、体积更小、操作更方便。 通过选择比较，最终选择三菱的 FX2N 系列 PLC[3]。 三菱 FX2N 系列是小型化，高速度，高性能以及各方面都是 FX 系列中高档次的装置，石家庄铁道大学毕业设计 8 除输入 /输出 16~128 点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC，并且具有高速处理及大量满足单个需要的可扩展特殊 功能模块等特点，为各种自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 三菱变频器 [4]有几大特点。 节能，当频率超过需求时降低频率，电机用不完的能量就节省下来了；无极调速，电机都有一个固定的转速，没有其他调速装置，这个转速固定不变，而有的工况需要电机改变速度，没有三菱变频器，只能通过滑差电机或齿轮变速来实现，很复杂，很笨重，有了三菱变频器，就使一切变速的需要变的轻而易举，随心所欲；启动平稳，速度平稳上升，停止平稳，速度平滑下降，没有冲击；具备多种信号输入输出端口，接收和输出模拟信号，电流、电压信号，与工控机、编程器配 合，就能形成自动化控制系统。 MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统 )是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于 Windows 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/20xx/xp 等操作系统。 具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。 通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用 于现场采集、数据处理和控制的设备。 用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。 模数转换模块选用三菱 FX 2N4AD，数模转换用三菱 FX 2N4DA，是三菱 PLC的特殊功能模块， PLC、变频器均采用三菱品牌，所以这个系统就有了完美的兼容性，在设计过程中可以少走很多弯路。 挖掘机转速控制系统示意图如下图所示： 石家庄铁道大学毕业设计 9 接 口 电 路 A D P L C D A 3 8 0 V变频器M C G S界 面电动机液压泵 图 31 挖掘机转速控制 系统示意图 系统总体控制方案如下图所示： 转 速 给 定 自 动 控 制 M C G S 操 作 界 面。